Багатоядерні процесори: гонка з переслідуванням

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

Коли ставки в боротьбі виробників процесорів підвищуються, у виграші залишається споживач

Процесорні технології розвиваються швидко (досить згадати стрибкоподібний перехід від одноядерних до двоядерним, а потім і до багатоядерним пристроїв), тому в наш час завдання вибору процесора для системи ускладнилася. До того ж вибирати доводиться з кількох процесорних архітектур. Але якщо розібратися, чим одні технології відрізняються від інших, буде простіше знайти правильне поєднання системи і процесора для бізнесу.

Рушійна сила цього стрімкого технологічного прогресу - «процесорна війна» між компаніями Intel і AMD. В середині і в кінці 1990-х рр. здавалося, що Intel вийшла переможцем в гонці, але в 2001 році ця компанія випустила 64-розрядний процесор Itanium. Розробники Intel допустили помилку, не забезпечивши бінарну сумісність процесора з програмним забезпеченням попереднього стандарту x86. Компанія AMD отримала можливість створити модель AMD Opteron, 64-розрядний x86-сумісний процесор класу x64. Opteron витіснив Itanium на ринку універсальних серверів і дозволив компанії AMD захопити значну частку серверного ринку за рахунок корпорації Intel.

Коли успіх моделі Opteron і реалізованої в ньому архітектури Direct Connect Architecture став очевидним, проектувальники Intel взялися за перекроювання архітектури своїх процесорів. На зміну мікроархітектурі NetBurst прийшла більш високопродуктивна мікрорахітектура Intel Core. Компанія почала випуск власних x64-сумісних процесорів. З тих пір долею процесорів Itanium стало обслуговування лише дуже дорогих систем з великим навантаженням на процесори, тоді як архітектура x64 стала стандартом в сегменті серверів. На перший погляд може здатися, що вироблені компаніями AMD і Intel x64-сумісні процесори ідентичні, але в їх функціонуванні є істотні відмінності. І, щоб правильно вибрати процесор, необхідно мати уявлення про ці відмінності.

Двоядерні процесори: ставки ростуть

Незабаром після переходу на x64 архітектуру як AMD, так і Intel в спішному порядку зайнялися розробкою технологій на базі двох ядер. Можливості нарощування обчислювальної потужності виключно за рахунок підвищення тактової частоти процесора виявилися вичерпані, і обидва виробника процесорів прийшли до висновку, що найпростіший спосіб збільшити потужність передбачає використання паралелізму. Габарити процесорів ставали все менше, завдяки чому з'явилася можливість виробляти двоядерні процесори, в яких на одній напівпровідниковій пластині розміщуються два процесори. Додаткова перевага такого підходу полягає в тому, що при тих же енерговитратах (тобто при тій же напрузі), що і при використанні одного процесора, потужність пристрою практично подвоюється.

У 2005 р Intel став першою корпорацією, яка випустила двоядерний процесор (це була модель Pentium D, побудована на базі мікроархітектури Intel NetBurst). У січні 2006 р компанія Intel перейшла на мікроархітектуру Core. У ній використовується більш короткий, ніж в архітектурі NetBurst, конвеєр інструкцій, за рахунок чого протягом кожного такту процесори виконують значно більше число інструкцій і досягають більш високого рівня продуктивності, хоча і функціонують з меншою тактовою частотою, ніж попередні моделі процесорів Intel. Компанія AMD поспішила відповісти на цю ініціативу Intel, випустивши власний 64-розрядний двоядерний процесор Athlon 64 X2.

У двоядерних процесорах цих двох виробників реалізовані зовсім несхожі архітектури. У пристроях Intel використовується технологія з розділяється системною шиною, що забезпечує кожен процесор половиною запасу потужності системної шини. При роботі пам'яті і виконанні операцій доступу до системи введення / виводу теж використовується ресурс системної шини, так що швидкодія шини стає вирішальним фактором, що визначає загальну продуктивність системи.

При виготовленні останньої двоядерний моделі процесора Intel Core 2 Duo використовується технологічний процес 65 нм. У пристроях Core 2 Duo і Core 2 Extreme обидва ядра розташовуються на одній напівпровідниковій пластині. Кожне ядро ​​має виділений кеш першого рівня ємністю 64 Кбайт, який складається з кешу інструкцій на 32 Кбайт і кеша даних на 32 Кбайт. Крім того, обидва ядра спільно використовують кеш другого рівня ємністю 4 Мбайт. Модель Core 2 Duo забезпечує обробку протягом одного такту 128-розрядних інструкцій SSE (Streaming Single-Instruction, Multiple-Data Extensions), які використовуються в складних математичних розрахунках і при побудові графічних зображень. Крім того, вона має нову енергозберігаючу структуру і системну шину, яка функціонує з тактовою частотою 1066 МГц.

Структура двоядерних процесорів, що випускаються компанією AMD, зовсім інша. Відповідно до прийнятої в AMD архітектурою Direct Connect Architecture, кожен процесор має вбудований контроллер пам'яті. Шина HyperTransport забезпечує безпосередню передачу даних між процесорами, системою введення / виводу і пам'яттю зі швидкістю 8 Гбіт / с. У лютому 2007 р AMD випустила нові двоядерні процесори Opteron з більш високими тактовими частотами - до 2,8 ГГц - і більш високою, ніж у попередніх моделей, енергоефективністю. До кінця 2007 р компанія доведе тактову частоту своїх двоядерних процесорів до 3 ГГц.

Двоядерні процесори виявилися вдалим рішенням і набули широкого поширення. Сьогодні ці процесори, що відрізняються високою швидкодією і ефективними засобами енергозбереження, встановлені майже на всіх серверах і на багатьох настільних системах користувачів зі сфери бізнесу.

Чотириядерні процесори: подвоєння ставок

Слідуючи тим же сценарієм, який призвів до появи двоядерних пристроїв, Intel і AMD подвоїли ставки і перейшли від двоядерний технології процесорів до чотирьохядерний. Випустивши в листопаді 2006 р модель Quad-Core Intel Xeon processor 5300 series, Intel стала лідером цих перегонів. Компанія AMD зробить хід у в середині 2007 року, коли на ринок надійде її чотирьохядерний процесор під кодовою назвою Barcelona. І знову, як і в випадку з двоядерними процесорами, Intel і AMD пропонують чотириядерні рішення, що істотно відрізняються один від одного.

Чотирьохядерний процесор Intel представляє собою два двоядерних процесора, розміщених на одному кристалі. Іншими словами, розроблене фахівцями Intel чотирьохядерне пристрій Xeon є не власне чотирьохядерний процесор, а здвоєний двоядерний процесор. Але хоча така архітектура дозволила компанії Intel швидко довести виріб до ринку, запропонована структура не є оптимальною. Коли процесори, розміщені на окремих ядрах, обмінюються даними, ці дані доводиться пересилати по системної шині і через контролер пам'яті, а це не найефективніший спосіб. Крім того, як і в більш ранніх структурах Intel, при подібному підході загальну швидкодію системи ставиться в залежність від швидкодії системної шини. Але, незважаючи на зазначені недоліки і завдяки вдосконаленням в мікроархітектурі Intel Core, а також підключення додаткових процесорів, чотириядерні кристали Intel є найшвидшими з представлених на ринку x64-сумісних процесорів. На рис. 1 показана схема чотирьох ядерного процесора Intel. Більш докладні відомості про чотириядерних процесорах Intel можна знайти за адресою http://www.intel.com/quad-core/index.htm?qc_tl+techresearch_promo& .

Розробники готується до випуску процесора Barcelona від AMD пішли іншим шляхом: вони розмістили на одній напівпровідниковій пластині чотири незалежних процесора. У чотирьохядерному кристалі AMD, як і в випущених раніше моделях Opteron, реалізована фірмова архітектура Direct Connect Architecture. При виготовленні процесорів Barcelona буде використовуватися технологічний процес 65 нм. Передбачено випуск версій потужністю 68, 95 і 120 Вт. Відповідно до чотирьохядерний природою моделі всі чотири ядра функціонують незалежно один від одного. Теоретично справді чотирьохядерна модель забезпечує також більш ефективне енергоспоживання, оскільки кожне ядро ​​може підвищувати і знижувати свою тактову частоту відповідно до навантаження.

У конструкцію процесора Barcelona був внесений ряд інших важливих удосконалень. Він забезпечує 128-розрядну обробку даних з плаваючою комою і оснащений новим кешем третього рівня ємністю 2 Мбайт, використовуваним усіма ядрами. Оскільки кожен процесор виконує протягом одного такту більший обсяг роботи, підвищення його продуктивності (що становить близько 15%) забезпечує загальне підвищення швидкодії приблизно на 40%. Важлива особливість чотириядерних процесорів AMD полягає в тому, що на рівні гнізд вони сумісні з існуючими двоядерними процесорами Socket F. Отже, сучасні двоядерні системи, побудовані з використанням технології AMD Socket F, можуть бути модернізовані до рівня чотирьох ядер шляхом звичайної заміни процесорів і подальшої модернізації системи BIOS. Модель Barcelona повинна перевершити чотириядерні процесори Intel і по масштабованості. Кожне ядро ​​чотирьохядерний пластини процесора Barcelona в майбутньому теоретично може бути модернізовано до рівня двоядерного кристала. По суті, це означає можливість розміщення на одній чотирьохядерний пластині чотирьох двоядерних процесорів. На рис. 2 представлена ​​чотирьохядерна архітектура процесора AMD. Більш детальну інформацію про багатоядерних процесорах AMD можна знайти за адресою http://multicore.amd.com/us-en/AMDMulti-Core.aspx .

Додатків буде привільно

Так в чому ж полягають найважливіші гідності багатоядерних процесорів? Багатозадачні і багатопотокових операційні системи, такі як Windows Vista, Windows Server 2003 і Windows XP, можуть скористатися наявними можливостями декількох ядер для одночасного виконання ряду окремих потоків. Так, наприклад, програми обробки електронної пошти або антивірусні програми можуть виконуватися в окремих фонових потоках, а користувач в той же час може виконувати інтерактивні завдання на повній швидкості в потоці з високим пріоритетом. Якщо говорити про додатки, то комп'ютерні ігри завжди знаходяться на передньому краї технології, і багато хто з сучасних ігрових програм, такі як Quake і Call of Duty, працюватимуть набагато краще при використанні декількох ядер і процесорів. До того ж повну віддачу від використання всіх наявних процесорів можуть забезпечити сервери баз даних рівня підприємств, такі як SQL Server 2005, і програмні засоби віртуалізації, наприклад VMware Server. Згадані типи додатків призначені для виконання в багатопроцесорної середовищі, тому вони можуть ініціювати окремі потоки на індивідуальних процесорах багатоядерних систем.

Плани на майбутнє

Восени 2006 року представники Intel оголосили про початок розробки наступної серії багатоядерних кристалів під кодовою назвою Penryn. Очікується, що ці продукти надійдуть на ринок до кінця 2007 р Вони будуть виготовлятися з використанням нового технологічного процесу 45 нм. Нові процесори будуть відрізнятися більш високою швидкодією і зниженим енергоспоживанням і виділяти менше тепла. Перехід на технологічний процес 45 нм дасть компанії Intel тимчасову перевагу в боротьбі з компанією AMD, але остання планує відновити рівновагу в 2008 р, коли почнеться виробництво її власних процесорів за технологією 45 нм. А в кінці 2008 р слід очікувати нового подвоєння ставок: як стало відомо, в цей час Intel розпочне випуск восьмиядерних процесорів під кодовою назвою Duddington.

Майкл Оті - Технічний директор Windows IT Pro і президент компанії TECA, яка спеціалізується на розробці програмного забезпечення та консультування. [email protected]

Багатоядерні процесори: гонка з переслідуванням